Тепловой расчет двигателя

Расчет параметров состояния рабочего тела, соответствующих характерным точкам цикла. Расчет индикаторных и эффективных показателей двигателя, диаметра цилиндра, хода поршня, построение индикаторной диаграммы. Тепловой расчёт для карбюраторного двигателя.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА В ХАРАКТЕРНЫХ ТОЧКАХ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ

2.1 ПРОЦЕСС ВПУСКА

2.2 ПРОЦЕСС СЖАТИЯ

2.3 ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ

2.4 ПРОЦЕС РАСШИРЕНИЯ

3. ИНДИКАТОРНЫЕ И ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДВИГАТЕЛЯ

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА ЦИЛИНДРА И ХОДА ПОРШНЯ

5. ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

На наземном транспорте наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания. Эти двигатели отличаются компактностью, высокой экономичностью, долговечностью и применяются во всех отраслях народного хозяйства.

В настоящее время особое внимание уделяется уменьшению токсичности выбрасываемых в атмосферу вредных веществ и снижению уровня шума работы двигателей.

Специфика технологии производства двигателей и повышение требований к качеству двигателей при возрастающем объеме их производства, обусловили необходимость создания специализированных моторных заводов. Успешное применение двигателей внутреннего сгорания, разработка опытных конструкций и повышение мощностных и экономических показателей стали возможны в значительной мере благодаря исследованиям и разработке теории рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания.

Выполнение задач по производству и эксплуатации транспортных двигателей требует от специалистов глубоких знаний рабочего процесса двигателей, знания их конструкций и расчета двигателей внутреннего сгорания.

Рассмотрение отдельных процессов в двигателях и их расчет позволяют определить предполагаемые показатели цикла, мощность и экономичность, а также давление газов, действующих в надпоршневом пространстве цилиндра, в зависимости от угла поворота коленчатого вала. По данным расчета можно установить основные размеры двигателя (диаметр цилиндра и ход поршня ) и проверить на прочность его основные детали.

1. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

ТАБЛИЦА 1. Параметры двигателя

Модель двигателя Номинальная мощность NeкВт . Частота вращения кален вала n, обр/мин Число и расолежение цилиндров

Степень сжатия

ε

Диаметр цилиндра

D, мм

Ход поршня

S, мм

Рабочий объем

Vл, л

Минимальны удельный расход топлива

ge, г/кВт•ч

ВАЗ-2107 55,6 5600 4-Р 8,5 76 66 1,197 313

По заданным параметрам двигателя произвести тепловой расчет, определить параметры состояния рабочего тела, соответствующие характерным точкам цикла, индикаторные и эффективные показатели двигателя, диаметр цилиндра и ход поршня, построить индикаторную диаграмму. Тепловой расчет для карбюраторного двигателя произвести для режима максимальной мощность.

При проведении теплового расчётадля карбюраторного двигателя выбираем следующие параметры:

Давление окружающей среды р о = 0,1 МПа

Температура окружающей среды То = 293 К

Давление остаточных газов р r = 0,114 МПа

Температура остаточных газов Тr = 1050 К

Подогрев свежего заряда ∆Т = 20۫С

Коэффициент наполнения ηv = 0,8

Коэффициент избытка воздуха α = 0,96

В соответствии с заданной степенью сжатия ε = 8,5 можно использовать бензин АИ 93

Молекулярная масса топлива: С = 0,855; Н = 0,145; mt = 115 кг/моль

Низшая теплота сгорания: Нu= 33,891*C+125,6*H-2,51*9*H= 44 МДж/кг

Средний показатель политропны сжатия n1 = 1,37

Средний показатель политропны расширения n2 = 1,24

Коэффициент использования тепла ξ = 0,9

тепловой карбюраторный двигатель индикаторный

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА В ХАРАКТЕРНЫХ ТОЧКАХ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ

2.1 ПРОЦЕСС ВПУСКА

Давление в конце впуска

, где

- потери давления в следствие сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре.

где

β - коэффициент затухания скорости движения заряда;

- коэффициент сопротивления впускной системы;

– средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы;

- плотность заряда на впуске;

;

Коэффициент остаточных газов


Температура в конце впуска

2.2 ПРОЦЕСС СЖАТИЯ

Давление в конце сжатия:

Температура в конце сжатия:

2.3 ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ

Определение теоретически необходимого количества воздуха при полном сгорании жидкого топлива . Наименьшее количество кислорода Оо , которое необходимо подвести извне к топливу для полного его окисления.

кмоль воз/кг топл

кг возд/кг топл , где


С, Н, О – массовые доли углерода, водорода и кислорода в элементарном составе топлива;

0,21 – объёмное содержание кислорода в 1 кг воздуха;

0,23 – массовое содержание кислорода в 1 кг воздуха;

Действительное количество молей свежего заряда:

где

- действительное количество воздуха, необходимое для сгорания 1кг воздуха.

- молекулярная масса паров автомобильных бензинов.

Количество молей продуктов сгорания, ,

Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

, где

- коэффициент молекулярного изменения горючей смеси.

Температура в конце видимого сгорания:

Температура конца видимого сгорания Тz для карбюраторного двигателя α<1 определяется из уравнения сгорания:


, где

ξ – коэффициент использования тепла;

– теплопроводность топлива;

- неполнота сгорания топлива;

и - средние мольные теплоёмкости при постоянном объёме рабочей смеси и продуктов сгорания, значения средних мольных теплоемкостей приближенно определяем по формулам;

Определяем температуру в конце сгорания по уравнению сгорания:

,

тогда получим :

Давление в конце видимого сгорания карбюраторного двигателя


Степень повышения давления

2.4 ПРОЦЕС РАСШИРЕНИЯ

В процессе расширения происходит преобразование тепловой энергии в механическую, определяем по формулам:

3. ИНДИКАТОРНЫЕ И ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДВИГАТЕЛЯ

Теоретическое средние индикаторное давление определяем по формуле:

Действительное средние индикаторное давление:

, где

φ – коэффициент скругления индикаторной диаграммы для карбюраторных двигателей принимаем равным 0,96

Индикаторный КПД цикла:

Индикаторный удельный расход топлива:

Средние давление механических потерь:

при ,

, где


Средние эффективное давление:

Механический КПД двигателя:

Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива:

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА ЦИЛИНДРА И ХОДА ПОРШНЯ

Задаем отношение

Определяем рабочий объём двигателя по формуле:

, где

τ = 4 - тактность двигателя;

i = 4 - число цилиндров;

Объём одного цилиндра:

Определяем диаметр и ход поршня:

Окончательно принимаем: S = 66мм , D= 76мм .

Определяем номинальную мощность двигателя:


Двигатель

N,

кВт

Nн,

мин

ε

D,

мм

S,

мм

Vh,

л

Vп,

м/с

ge,

г/кВт·ч

Проектируемый 52,5 5600 8,5 76 66 1,267 12 254
Прототип 55,6 5600 8,5 76 66 1,197 12 313

Вывод : основные данные полученные в тепловом расчёте при сравнение с характеристиками прототипа позволяют сделать вывод о том что для дальнейших расчётов мы можем принять этот двигатель так как расхождение не превышает 10%.

5. ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ

Индикаторную диаграмму строят для номинального режима работы двигателя, т. е. при

Ne = 52,5кВт и Nн = 5600 об/мин .

Масштабы диаграммы: масштаб хода поршня Мs = 1 мм в мм ;

Масштаб давлений: Мр = 0,05 МПа в мм .

Приведенные величины, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:

;

Максимальная высота диаграммы (точка z)

Ординаты характерных точек:

Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом:

а) политропа сжатия отсюда

,


где

б) политропа расширения отсюда

Результаты расчета точек политроп приведены в табл.

№ точек OX, мм Политропа сжатия Политропа расширения
, мм , МПа , мм , МПа
1 8,8 8,5 18,76 34,1 1,7 (точка с) 14,2 136,9 6,84 (точка z)
2 9,3 8 17,39 31,6 1,58 13,2 127,8 6,39
3 10,7 7 14,35 26,1 1,3 11,14 107,4 5,36
4 14,9 5 9,12 16,6 0,83 7,39 71,28 3,56
5 18,7 4 6,68 12,1 0,6 5,58 53,7 2,68
6 24,9 3 4,51 8,2 0,41 3,91 37,7 1,88
7 37,4 2 2,58 4,7 0,23 2,36 22,77 1,138
8 49,86 1,5 1,74 3,1 0,15 1,653 15,93 0,796
9 74,8 1 1 1,82 0,091(точкаа) 1 9,64(точка b) 0,482

Так как рассчитываемый двигатель достаточно быстроходен n = 5600 об/мин. , то фазы газораспределения устанавливаем с учетом получения хорошей очистки от отработавших газов и обеспечения дозарядки. В связи с этим начало открытия впускного клапана (точка r΄) устанавливается за 18˚ до прихода поршня в В.М.Т., а закрытие (точка а ΄΄) – через 60˚ после прохода поршнем Н.М.Т.; начало открытия выпускного клапана (точка b ΄) принимаем за 55˚ до прихода поршня в Н.М.Т., а закрытие (точка а ΄) – через 25˚ после прохода поршнем В.М.Т. Учитывая быстроходность двигателя, угол опережения зажигания θ принимаем равным 35˚, а период воспламенения ∆φ1= 5˚.

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения зажигания определяют положение точек r', а', а", с', f и b' по формуле для перемещения поршня:

где λ — отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

При построении индикаторной диаграммы предварительно принимается λ = 0,285.

Расчеты координат точек r ', а', а", с', f и b ' сведены в табл.

Обозначение точек Положениеточек Расстояние точек от в.м.т. (AX), мм
до в.м.т. 18 0,0626 2,06
после в.м.т. 25 0,1194 3,9
после н.м.т. 60 1,5969 52,7
до в.м.т. 35 0,2279 7,5
до в.м.т. 30 0,1696 5,6
до н.м.т. 55 1,6686 55,06

Положение точки определяется по формуле:

МПа;

мм.

Действительное давление сгорания

МПа;

мм.

Соединяя плавными кривыми точки r с а' , с' с с" и далее с z д и кривой расширения, b ' с b " (точка b " располагается обычно между точками b и а ) и линией выпуска b"r' r , получим скругленную действительную индикаторную диаграмму ra'ac'fc" z дb ' b " r .

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей; учеб. пособие для вузов.; М.: Высшая школа, 1980.- 400с.